AOR2/Jul 2022

Izvor: SI Wiki
< АОР2
Datum izmene: 25. maj 2023. u 00:13; autor: KockaAdmiralac (razgovor | doprinosi) (Rešenje drugog zadatka)
Pređi na navigaciju Pređi na pretragu
Ovaj rok nije rešen. Pomozite SI Wiki tako što ćete ga rešiti.

Julski rok 2022. godine održan je 2. jula i trajao je 90 minuta. Na ispitu je takođe bio podeljen podsetnik vektorskih instrukcija sa dokumentacijom AVX instrukcija sa Intelovog zvaničnog sajta.

1. zadatak

Postavka

Opisati tehniku optimizacije vektorskih instrukcija koja se zasniva na dohvatanju izabranih elemenata (Scatter-gather) prilikom pristupa podacima. Dati primer instrukcija procesora koje omogućavaju ovu tehniku i primer programa kod koga se jasno vidi prednost korišćenja ove tehnike.

Rešenje

2. zadatak

Postavka

Data je funkcija int elementsInRange(const unsigned int* input, int n, int min, int max) koja za celobrojne elemente niza zadatog pokazivačem input i dužine n prebrojava koliko ima elemenata u intervalu [min, max]. Smatrati da je n > 0. Elementi niza su celi brojevi int (32 bit).

Potrebno je prepraviti kod tako da ima isti rezultat izvršavanja korišćenjem vektorskih instrukcija koje su date u prilogu ispita. 

int elementsInRange(const unsigned int* input, int n, int min, int max) {
    int result = 0;

    for (int i = 0; i < n; i++) {
        if (input[i] >= min && input[i] <= max)
            result = result + 1;
    }

    return result;
}

Rešenje

Ispod je data tražena implementacija funkcije kao i ostatak programa koji testira performanse i uspešnost ove reimplementacije: 

#include <chrono>
#include <cstdlib>
#include <iostream>
#include <immintrin.h>

const int N = 65530;
const int MIN = 0;
const int MAX = RAND_MAX / 10;

// Унија за приступ појединачним члановима вектора.
union V256I {
    __m256i v;
    int i[8];
};

// Низови за податке који се прослеђују функцијама.
unsigned int niz1[N];
unsigned int niz2[N];

// Оригинални код из задатка.
int elementsInRangeOriginal(const unsigned int* input, unsigned int n, unsigned int min, unsigned int max) {
    int result = 0;

    for (unsigned int i = 0; i < n; i++) {
        if (input[i] >= min && input[i] <= max)
            result = result + 1;
    }

    return result;
}

// SIMD-оптимизован код.
int elementsInRangeSIMD(const unsigned int* input, unsigned int n, unsigned int min, unsigned int max) {
    unsigned int roundedDownN = (n / 8) * 8;
    // Сви вектори потребни за рад функције.
    V256I resultVector;
    resultVector.v = _mm256_set_epi32(0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0);
    __m256i minVector = _mm256_set_epi32(min, min, min, min, min, min, min, min);
    __m256i maxVector = _mm256_set_epi32(max, max, max, max, max, max, max, max);
    __m256i zeroVector = _mm256_set_epi32(0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0);
    for (unsigned int i = 0; i < n; i += 8) {
        __m256i inputVector = _mm256_loadu_si256((__m256i*)(input + i));
        // _mm256_cmpgt_epi32 ће поставити све јединице на места где је испуњен
        // услов.
        __m256i minCompareVector = _mm256_cmpgt_epi32(inputVector, minVector);
        __m256i maxCompareVector = _mm256_cmpgt_epi32(maxVector, inputVector);
        // Остављамо све јединице на месту где су испуњена оба услова, и за
        // минимум и за максимум.
        __m256i blendedVector = _mm256_blendv_epi8(zeroVector, maxCompareVector, minCompareVector);
        // Напомена: све јединице заправо означавају број -1, па у овом вектору
        // чувамо негативне бројаче уместо позитивне.
        resultVector.v = _mm256_add_epi32(resultVector.v, blendedVector);
    }
    int result = 0;
    for (unsigned int i = 0; i < 8; ++i) {
        // Пошто смо изнад додавали негативне бројеве на резултат, овде морамо
        // да обрнемо знак да бисмо израчунали крајњи резултат како треба.
        result -= resultVector.i[i];
    }
    // Урачунавамо све преостале елементе у резултат.
    for (unsigned int i = roundedDownN; i < n; ++i) {
        if (input[i] >= min && input[i] <= max) {
            ++result;
        }
    }
    return result;
}

int main() {
    // Пунимо улазне низове насумичним подацима.
    for (int i = 0; i < N; ++i) {
        unsigned int randomNumber = static_cast<unsigned int>(rand());
        niz1[i] = randomNumber;
        niz2[i] = randomNumber;
    }
    // Меримо време колико је потребно оригиналном коду да се изврши.
    std::chrono::steady_clock::time_point beginOriginal = std::chrono::steady_clock::now();
    int resultOriginal = elementsInRangeOriginal(niz1, N, MIN, MAX);
    std::chrono::steady_clock::time_point endOriginal = std::chrono::steady_clock::now();
    std::cout << "Original: " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(endOriginal - beginOriginal).count() << "ms" << std::endl;
    // Меримо време колико је потребно SIMD коду да се изврши.
    std::chrono::steady_clock::time_point beginSIMD = std::chrono::steady_clock::now();
    int resultSIMD = elementsInRangeSIMD(niz2, N, MIN, MAX);
    std::chrono::steady_clock::time_point endSIMD = std::chrono::steady_clock::now();
    std::cout << "SIMD:     " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(endSIMD - beginSIMD).count() << "ms" << std::endl;
    // Упоређујемо резултате оригиналног и SIMD кода.
    if (resultOriginal != resultSIMD) {
        std::cerr << "Result mismatch (original: " << resultOriginal << ", SIMD: " << resultSIMD << ")" << std::endl;
        return EXIT_FAILURE;
    }
    return EXIT_SUCCESS;
}

Rešenje prevesti korišćenjem komande g++ -march=native fajl.cpp.

3. zadatak

Postavka

Opisati tehniku korišćenja keša za čuvanje tragova izvršavanja (Trace cache). Dati primer mesta u protočnoj obradi gde se ovaj keš može nalaziti i obrazložiti odgovor. Šta predstavljaju ulazi i izlazi i opisati po čemu se ovaj keš razlikuje od obične keš memorije.

Rešenje

4. zadatak

Postavka

Razmatra se računarski sistem u kome se izvršavanje određene instrukcija odvija u 6 faza pomoću izmenjenog procesora sa standardnom protočnom obradom (slika 4.1.). U procesor sa standardom protočnom obradom je dodata kao drugi stepen jedinica PD (Instruction PreDecode) koji[sic] obavlja transformaciju instrukcija zadate arhitekture u instrukcije RISC arhitekture. Smatrati da pristup memoriji traje dva signala takta. Arhitektura procesora definiše 16 registra[sic] opšte namene. Adrese i podaci su veličine 16 bita.

Slika 4.1. — organizacija procesora
  1. Napisati sekvencu instrukcija (mikroinstrukcija) ciljne RISC arhitekture u koju se obavlja preslikavanje za deo instrukcijskog seta iz tabele 4.1. izvorišne CISC arhitekture. Ukoliko je potrebno proširiti broj registara opšte namene u registarskom fajlu, onda treba za svaki dodat registar napisati čemu služi. Registar R13 predstavlja ukazivač na vrh steka (SP) i pokazuje na poslednju slobodnu lokaciju. Stek raste prema višim adresama. Registar R14 predstavlja ukazivač na baznu adresu steka (BP). Registar R0 se koristi kao akumulator. Bit PSWI u PSW se nalazi na poziciji 3, bit PSWC u PSW se nalazi na poziciji 2. U tabeli 4.1. akcije nisu optimizovano napisane, već opisno.
  2. Nacrtati format instrukcija ciljne RISC arhitekture (na osnovu instrukcija iz tabele 4.1.).
Tabela 4.1. — deo instrukcijskog seta procesora
Asemblerska instrukcija Akcija Mikro instrukcije
ADDB Rx 
AX15..8 = 0
AX7..0 = AX7..0 + Rx7..0
ENTER immed 
PUSH BP
BP = SP
SP = SP + immed
INTD PSWI = 0
POPPC POP PC
SUB (adr) AX = AX - MEM[MEM[adr]]
LOOPZ disp 
R12 = R12 - 1
IF R12 == 0 THEN
    PC = PC + disp
LD +(Rx) 
Rx = Rx - 1
ACC = MEM[Rx]
SUBC (adr) 
IF PSWC == 1 THEN
    ACC = ACC - MEM[MEM[adr]] - 1
ELSE
    ACC = ACC - MEM[MEM[adr]]

Rešenje

Podsetnik

U podsetniku je bila data dokumentacija za sledeće instrukcije:

  • _mm256_loadu_si256
  • _mm256_set_epi32
  • _mm256_cmpgt_epi32
  • _mm256_mul_epi32
  • _mm256_storeu_epi32
  • _mm256_blendv_epi32
  • _mm256_add_epi32

Dokumentacija za ove instrukcije može se naći sa zvaničnog Intelovog sajta i ovde neće biti ponovljena.

Preuzeto iz „https://siwiki.rs/w/index.php?title=АОР2/Јул_2022&oldid=6213”